水下组合导航故障智能诊断方法.pdf

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1、10申请公布号CN104075734A43申请公布日20141001CN104075734A21申请号201410309238222申请日20140701G01C25/0020060171申请人东南大学地址210096江苏省南京市四牌楼2号72发明人徐晓苏刘义亭刘锡祥张涛吴亮闫捷邹海军74专利代理机构南京苏高专利商标事务所普通合伙32204代理人柏尚春54发明名称水下组合导航故障智能诊断方法57摘要本发明公开了一种水下组合导航故障智能诊断方法，包括如下步骤将水下组合导航系统的故障分为噪声突增型系统故障、信息突变型系统故障和信息渐变型系统故障；利用改进的残差2检测法判断是否发生突变型系统故障；如。

2、发生突变型故障，则隔离故障子系统；计算残差均值和残差绝对和值，并根据计算结果判断系统是发生噪声突增型系统故障还是信息突变型系统故障，为故障子系统故障消除后系统重构做准备；计算归一化残差均值和相邻统计周期残差绝对和值，并根据计算结果判断是否发生渐变型故障。本发明避免了由于滤波器的跟踪特性，导致故障检测系统将故障系统误判为无故障系统的缺陷；同时可以快速准确判断出水下组合导航系统中出现的各种故障。51INTCL权利要求书2页说明书6页附图13页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书6页附图13页10申请公布号CN104075734ACN104075734A1/2页21一。

3、种水下组合导航故障智能诊断方法，其特征在于，包括如下步骤S1、将水下组合导航系统的故障分为噪声突增型系统故障、信息突变型系统故障和信息渐变型系统故障；S2、利用改进的残差2检测法判断是否发生突变型系统故障；如发生突变型故障，则隔离故障子系统；S3、从判断发生突变型故障时开始计算残差均值和残差绝对和值，并根据计算结果判断系统发生噪声突增型系统故障还是信息突变型系统故障，为故障子系统故障消除后系统重构做准备；S4、从组合导航系统稳定工作时开始计算归一化残差均值和相邻统计周期残差绝对和值，并根据计算结果判断是否发生渐变型故障。2如权利要求1所述的水下导航故障智能诊断方法，其特征在于，突变型系统的故障。

4、检测步骤进一步为S21、求取组合导航各子系统故障检测函数其中，PK1KKHKPK/K1，为子系统状态量中比公共状态多出的系统状态，Z为观测向量，为状态转移矩阵，H为观测矩阵，R为子系统量测噪声序列方差阵，Q为子系统过程噪声序列方差阵，下标K是第K步递推时刻；S22、将故障检测函数值与阈值比较，若故障检测函数值大于阈值，则系统发生突变型故障并立即将故障子系统隔离；若故障检测函数小于阈值，则返回S21；S23、若系统发生突变型故障，则从判出故障开始计算故障子系统的残差均值和残差绝对和值，残差均值计算方法其中，为残差均值，RI为故障发生后第I时刻的残差，K为突变性故障已经发生的时间；残差绝对和值计算。

5、方法权利要求书CN104075734A2/2页3其中，SUM|RK|表示残差绝对和值，RI为故障发生后第I时刻的残差，K为突变性故障已经发生的时间；S24、若残差均值的绝对值与0相减始终小于阈值T1，则判断故障子系统出现噪声突增系统系统故障；若残差均值绝对值与0相减始终大于T1，则判断故障子系统出现信号突变型系统故障；S25、若故障子系统出现噪声突增型系统故障，则故障子系统启用自适应滤波器并将故障子系统提供导航信息融入主滤波器；若判断系统出现信息突变型系统故障，则继续将故障子系统隔离，直到故障检测函数值小于阈值，将故障子系统恢复。3如权利要求1所述的水下导航故障智能诊断方法，其特征在于，渐变型。

6、系统故障的检测进一步包括如下步骤S31、根据实际情况取一定长度的移动窗，将移动窗内的全部元素赋初值0；S32、设置计数器CNT的值为0；S33、将移动窗内元素左移一位并将当前子系统残差RK存入移动窗最右端一位；S34、将上次解算的残差均值和残差绝对和值清零；S35、将当前窗口内所有残差对应元素相加，然后求残差均值，将窗内所有对应元素的绝对值求和后求绝对和值均值；移动窗内残差均值计算方法其中，为当前窗口的残差均值，RI为窗口内第I个残差，N为窗口长度，移动窗内残差绝对和值的均值计算方法其中，MEA_SUM|R|表示当前窗口内残差绝对和值的均值，RI为窗口内第I个残差，N为窗口长度；S36、将当前。

7、均值做归一化处理，求取当前归一化残差均值，归一化计算方法其中，表示归一化残差均值。S37、若当前归一化残差均值与上次归一化残差均值相等且当前绝对和值的均值与上次绝对和值的均值之差小于阈值TL，则计数器CNT加1，否则计数器CNT清零；S38、若CNT与预设的渐变型故障判断持续时间相等，则认为该子系统发生渐变型系统故障，设置故障标志位并将该子系统隔离；若CNT不等于预设的渐变型故障判断时间，则清除故障标志位并返回S32。权利要求书CN104075734A1/6页4水下组合导航故障智能诊断方法技术领域0001本发明涉及组合导航系统故障诊断，尤其是一种水下组合导航故障智能诊断方法。背景技术0002联。

8、邦KALMAN滤波因具有设计灵活、计算量小的特点而在水下组合导航系统中有着广泛的使用。但水下实际环境中，辅助导航设备受到环境的影响可能产生各种形式的故障，如果不及时检测出故障并隔离故障子系统，带故障的信息融入系统、污染整个导航系统，将会使组合导航系统精度降低甚至发散。因此水下组合导航系统的故障诊断、重构设计是提高组合导航系统可靠性的重要途径。0003早期故障检测与诊断方法大多基于硬件余度的方法，硬件配置大都多于所需硬件数量，采用“表决”的方式对故障进行诊断。解析法是以软件为主体的故障诊断方法。该方法基于数学模型，利用被诊断系统输入输出变量之间固有的解析关系，通过信息处理技术保证传感器输出的可靠。

9、性，主要分为参数估计法和状态估计法。近年来随着计算技术的发展，人工智能检测以及智能滤波等方法在组合导航故障诊断中也有广泛的应用。0004由于组合导航的工作特点和要求，状态2检测法和残差2检测法仍然被广泛使用。但状态2检测法存在着状态递推过程中没有量测更新导致故障检测灵敏度下降的缺点。针对这一缺陷提出采用2个辅助滤波器交替校正的方法，避免状态递推过程中与真实状态之间误差变大的缺点，对渐变型故障具有一定的检测能力，但此方法大大增加了计算量且在高动态环境中灵敏度下降。残差2检测法利用系统残差信息构造检测函数，能够实时检测故障信息，具有计算量小、实时性高、适用于动态环境等特点，但对于渐变型故障失效。发。

10、明内容0005发明目的提供一种水下组合导航故障智能诊断方法，以解决现有技术中存在的上述问题，减少误判率，降低计算量，提高检测速度。0006技术方案一种水下导航故障智能诊断方法，包括如下步骤0007S1、将水下组合导航系统的故障分为噪声突增型系统故障、信息突变型系统故障和信息渐变型系统故障；0008S2、利用改进的残差2检测法判断是否发生突变型系统故障；如发生上述故障，则隔离故障子系统；0009S3、从判断发生突变型故障时开始计算残差均值和残差绝对和值，并根据计算结果判断系统发生噪声突增型系统故障还是信息突变型系统故障，并为故障子系统故障消除后系统重构做准备；0010S4、从组合导航系统稳定工作。

11、时开始计算归一化残差均值和相邻统计周期残差绝对和值，并根据计算结果判断是否发生渐变型故障。说明书CN104075734A2/6页50011有益效果00121本发明在传统残差2检测法基础上结合组合导航中联邦卡尔曼滤波特性，将联邦卡尔曼滤波器中主滤波器输出的公共状态替换掉组合导航中子滤波器中具有的公共状态，避免了传统2检测法中利用子滤波器状态时，由于滤波器的跟踪特性，使得预测值一步跟踪上故障值，导致故障检测系统将故障系统误判为无故障系统的缺陷。00132本发明在利用改进残差2检测法检测出系统发生突变故障后，利用残差均值对系统发生的突变型故障类型进行判断。若系统发生信息突变型系统故障，则一直将故障子。

12、系统隔离，直到故障检测函数值小于阈值TD才将故障子系统恢复；若系统发生噪声突变噪声为白噪声型系统故障，则系统自动启动自适应滤波系统，并将判出故障的子系统辅助导航结果经自适应滤波后输入联邦卡尔曼滤波器的主滤波器，有效利用了水下宝贵的导航信息。00143本发明利用归一化残差均值和残差绝对和值两个信息，有效快速准确判断出水下组合导航系统中出现渐变型故障子系统，避免了传统的残差2检测法对渐变型故障检测失效的缺点。附图说明0015图1是本发明的系统结构图。0016图2是本发明突变型故障诊断的流程图。0017图3是本发明渐变性故障的流程图。0018图4A至图4F是本发明在DVL信息突变时组合系导航系统姿态。

13、误差曲线。0019图5A至图5F为本发明在DVL信息突变时组合导航系统速度误差曲线。0020图6A至图6F为本发明在DVL信息突变时组合导航系统位置误差曲线。0021图7A和图7B为本发明在DVL信息突变时DVL/SINS子系统故障函数值。0022图8A至图8D为本发明在DVL信息突变时组合导航系统天向速度残差均值、绝对和值。0023图9A至图9C为本发明在DVL噪声突然增大时组合导航系统速度误差曲线。0024图10A和图10B为本发明在DVL噪声突然增大时组合导航系统天向速度残差均值、绝对和值曲线。0025图11为本发明在DVL噪声突然增大时DVL/SINS子系统故障函数值。0026图12A。

14、至图12F为本发明在DVL渐变型故障时组合系导航系统姿态误差曲线。0027图13A至图13F为本发明在DVL渐变型故障时组合系导航系统速度误差曲线。0028图14A至图14F为本发明在DVL渐变型故障时组合系导航系统位置误差曲线。0029图15A和图15B为本发明在DVL渐变型故障时DVL/SINS子系统天向速度残差均值。具体实施方式0030传统残差2检测法求各局部KALMAN滤波器的残差为0031说明书CN104075734A3/6页60032式中预报值为0033003400350036PK11KK1HK1PK1/K2，00370038为系统状态量，Z为观测向量，为状态转移矩阵，H为观测矩阵。

15、，R为子系统量测噪声序列方差阵，Q为子系统过程噪声序列方差阵，下标K是第K步递推时刻。0039在K1时刻发生故障，将故障子系统即刻隔离。但此时的观测向量ZK1中已经包含了故障信息，由于使得预测值也包含了故障信息，通过的一步递推，使得也包含了故障信息。在低动态环境中，由于故障连续稳定，则ZK与ZK1无太大差异，使得故障检测函数结果小于阈值TD，故障诊断系统会将组合导航系统误判为故障消除而使得故障子系统融入组合导航系统，使得故障信号污染整个组合导航系统。0040针对这一缺陷，考虑到在K1时刻发生故障，故障诊断系统会立刻将故障子系统隔离，因此，联邦滤波器中由主滤波器得到的公共状态预测值并未受到子系统。

16、故障信号的影响，故本发明利用水下组合导航结构特点对传统残差获得方法进行改进，采用下面的方式计算残差00411根据水下组合导航结构改进残差2检测法，求取组合导航各子系统故障检测函数。00420043其中，为子系统状态量中比公共状态多出的系统状态。Z为观测向量，为状态转移矩阵，H为观测矩阵，下标K为第K步递推时刻。00440045其中，PK/K1为00460047PK11KKHKPK/K1，0048说明书CN104075734A4/6页70049其中，为状态转移矩阵，H为观测矩阵，R为子系统量测噪声序列方差阵，Q为子系统过程噪声序列方差阵，下标K为第K步递推时刻。0050然后，对RK作如下二元假设。

17、0051H0无故障0052H1有故障ERK,ERKRKTAK；0053则，故障检测函数为005400552将检测函数K值与阈值TD比较。若故障检测函数值大于阈值，则系统发生突变型故障并立即将故障子系统隔离，若故障检测函数小于阈值则返回步骤1。0056故障判定准则为00570058其中，预先设置的门限TD决定了故障检测的性能。由奈曼皮尔逊准则可知，当限定误警率PF时，则由PFPKTD/H0解出门限TD可使漏检率PFPKTD/H1达到最小，因而TD可由误警率PF决定。其中005900603若步骤2判断出系统发生突变型故障，则从判出故障开始计算故障子系统的残差均值和残差绝对和值。0061残差均值计算。

18、方法00620063其中，为残差均值，RI为故障发生后第I时刻的残差，K为突变性故障已经发生的时间。0064残差绝对和值计算方法00650066其中，SUM|RK|表示残差绝对和值，RI为故障发生后第I时刻的残差，K为突变性故障已经发生的时间。00674若残差均值的绝对值与0相减始终小于阈值T1，则判断故障子系统出现噪声突增型噪声为白噪声系统故障。若残差均值绝对值与0相减始终大于T1，则判断故障系统出现信号突变型系统故障。00685根据步骤4若故障子系统出现噪声突增型系统故障则故障子系统立即启用自适应滤波器并将故障子系统提供导航信息融入主滤波器。若根据步骤4判断系统出现信息突变型系统故障则继续。

19、将故障子系统隔离，直到故障检测函数值小于阈值TD，将故障子系说明书CN104075734A5/6页8统恢复。0069同时，利用第1步计算出系统残差，按图3所示，本发明的渐变型故障检测步骤为00701根据实际情况取一定长度的移动窗，将移动窗内的全部元素赋初值0；00712设置计数器CNT的值为0；00723将移动窗内元素左移一位并将当前子系统残差RK存入移动窗最右端一位；00734将上次解算的残差均值和残差绝对和值清零；00745将当前窗口内所有对应元素相加后求残差均值，将窗内所有对应元素的绝对值求和后求绝对和值均值；0075移动窗内残差均值计算方法00760077其中，为当前窗口的残差均值，I。

20、为窗口内第I个残差，N为窗口长度。0078移动窗内残差绝对和值的均值计算方法00790080其中，MEA_SUM|表示当前窗口内残差绝对和值的均值，I为窗口内第I个残差，N为窗口长度。00816将当前均值做归一化处理，求取当前归一化均值。0082归一化残差均值求取方法为008300847若当前归一化残差均值与上次归一化残差均值相等且当前绝对和值均值与上次绝对和值均值之差小于阈值TL，则计数器CNT加1，否则计数器CNT清零。00858若CNT与预设的渐变型故障判断持续时间相等，则认为该子系统发生渐变型系统故障，设置故障标志位并将该子系统隔离，直到系统判断渐变型故障消除再清除标志位并返回步骤2；。

21、若CNT不等于预设的渐变型故障判断时间，则清除故障标志位并返回步骤2。0086本发明的重要特征在于利用联邦滤波器中主滤波器的公共状态量预测值代替子系统中具有的与公共状态预测值相应的状态量求子系统残差；在判断出子系统发生突变型故障后，利用故障均值判断故障子系统是发生噪声突变型白噪声系统故障还是信息突变型系统故障；利用归一化残差均值和相邻统计周期残差绝对和值之差作为渐变型故障判据。0087如图4A至图15B所示，仿真环境中传感器的性能指标如下陀螺仪的常值漂移为004/H，随机漂移为加速度计零偏为50GG98M2/S，随机偏差为50G；当地地理纬度为3237，经度为11822。载体机动方式为东向和北。

22、向速度均为05M/S的匀速直线运动。为了简化模型，将DVL的测速误差设置为002M/S，高度计的测量误差为5M，磁罗经的的测量误差为02仿真时间为1000S，在200S到600S之间，分别人为给DVL三个轴上的速度加上恒定的2M/S的速度误差、增加幅值为05M/S的白噪声、斜坡函数其具体形式为V002TM/S，T为故障持续时间。说明书CN104075734A6/6页90088经过某型号的样机车载实验验证的统计结果为0089表1突变型故障水平位置误差统计结果00900091表2渐变型故障水平位置误差统计结果00920093本发明针对水下组合导航系统中辅助导航设备工作特点将辅助导航设备故障分成三种。

23、基本类型噪声突增型系统故障、信息突变型系统故障、信息渐变型系统故障。结合水下组合导航结构特点改进传统残差2检测法。将系统的残差均值、系统残差绝对和值引入，并与故障诊断函数相结合。利用改进残差2检测法诊断出辅助导航设备发生突变型系统故障后，进一步通过残差均值和残差绝对和值分辨系统是发生噪声突变系统故障还是信息突变型系统故障。针对渐变型故障，本发明直接利用归一化残差均值和相邻统计周期残差绝对和值之差两个判据进行判断。实现快速准确判断组合导航系统故障发生位置及类型。0094以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方。

24、案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。0095另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。说明书CN104075734A1/13页10图1图2说明书附图CN104075734A102/13页11图3图4A图4B图4C说明书附图CN104075734A113/13页12图4D图4E图4F图5A图5B说明书附图CN104075734A124/13页13图5C图5D图5E图5F图6A说明书附图CN104075734A135/13页14图6B图6C图6D。

25、图6E图6F说明书附图CN104075734A146/13页15图7A图7B图8A说明书附图CN104075734A157/13页16图8B图8C图8D图9A图9B说明书附图CN104075734A168/13页17图9C图10A图10B图11说明书附图CN104075734A179/13页18图12A图12B图12C图12D图12E说明书附图CN104075734A1810/13页19图12F图13A图13B图13C图13D图13E说明书附图CN104075734A1911/13页20图13F图14A图14B图14C图14D说明书附图CN104075734A2012/13页21图14E图14F图15A说明书附图CN104075734A2113/13页22图15B说明书附图CN104075734A22。